Разработка методов и алгоритмов расчета электротехнологических процессов в установках сублимационной сушки

Актуальность проблемы. Теплои массоперенос широко распространен в природе и технике. Например, испарение и конденсация играют основополагающую роль в круговороте воды на Земле и обеспечении жизнедеятельности растений и животных. Наряду с сублимацией эти процессы широко используются в промышленной практике и в сельском хозяйстве для" очистки веществ, сушки материалов, разделения смесей, нанесения покрытий, кондиционирования воздуха:

На сегодняшний день путь повышения объемов производства продуктов в пищевой промышленности и в" сельском хозяйстве посредством увеличения размеров соответствующей аппаратуры практически исчерпал свои возможности. Поэтому в последнее время становится все более актуальной проблема интенсификации тепловых, массообменных процессов, в различных отраслях промышленности и техники, в том числе в процессе сушки пищевых продуктов.

Различают пассивные и активные методы интенсификации различных процессов. К пассивным относят методы, связанные, например, с дополнительной турбулизацией потока с помощью различного рода конструктивных элементов — ребер, завихрителей, турбулизаторов, созданием шероховатости поверхности и т. д. Активные методы интенсификации связаны с непосредственным воздействием физических полей (электрических, магнитных, ультразвуковых и др.) на процессы и участвующие в них среды. Интенсификация различных процессов химической технологии непосредственным воздействием электрических полей является наиболее эффективной с точки зрения как энергетических, так и экономических затрат на их реализацию.

Так, например, известные способы сушки плодового сырья обладают рядом существенных недостатков: длительность и неравномерность сушки, потери биологически активных веществ, ухудшение органолептических и физико-химических показателей. Поэтому одним из наиболее перспективных способов сушки продуктов является сублимационная сушка, основанная на принципе низкотемпературного обезвоживания и позволяющая более полно сохранить биологически активные и питательные вещества, содержащихся в исходном сырье.

В последние годы для интенсификации процесса сушки растительного сырья стали использовать токи высокой и сверхвысокой частот (ВЧ, СВЧ), инфракрасный нагрев, ультрафиолетовые лучи, ультразвук, ионизирующее излучение и др.

Таким образом, развитие сублимационной техники связаны с переходом к установкам поточно-циклического и непрерывного действия, повышением эффективности сублимационного оборудования, за счёт интенсификации-процесса обезвоживания при помощи-электротехнологий. Всвязи с чем г возникает необходимость исследования теоретических и методологических основ для проектирования и разработки установок сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.

Для описания реальности составляются ее модели. Они всегда являются приближенными. Так и модели процессов теплои массопереноса, теплопроводности и диффузии являются приближенными не только в детально рассматриваемой" простой форме уравнений Фурье и Фика, но и даже в имеющихся или разрабатываемых самых общих, полных и сложных формах.

Последние десятилетия характеризуются созданием общих, универсальных описаний и моделей. При всей их познавательной ценности, универсальные модели часто оказываются неработоспособными. Причины неработоспособности универсальных моделей и нарушений теоретических представлений и аналогий между процессами во многом схожи.

Прежде всего, это подмена множества реальных конкретных явлений их общими модельными схемами, которые не могут учитывать индивидуальные особенности всех включаемых в эти схемы явлений.

Особенно это характерно для явлений и процессов на границах раздела фаз, для гетерогенных и многофазных сред, для материалов и потоков со сложной структурой, для высокоинтенсивных процессов. Некоторые из таких явлений вообще могут быть не ясны, не изучены, или даже в настоящее время не известны.

Другая возможная причина — сравнимые и переменные погрешности процессных экспериментов и измерений свойств, особенно, когда в модели требуется «чрезмерно много» различных характеристик такого роданекорректности в решениях обратных задачпогрешности компьютерных расчетов, в том числе, казалось бы, вызванных примитивными причинами: «набегание ошибок" — когда требуются многократные итерации и рекуррентные соотношенияпри «наложениях статистик" — когда имеются знакопеременные и плохо сходящиеся ряды, границы и разрывыкогда приходится учитывать большое число членов рядов, ошибки округления, число значащих цифр и разности близких числовых величина иногда также неустойчивые решения, «жесткие» уравнения и даже случаи патологии в численных методах.

Для мира природыг «усложнение» процессов всегда естественно. «Сложностей» для природы, собственно говоря, не существует: любой комплексный натурный процесс вбирает в себя все свои составляющие без" каких-либо «трудностей» в своем реальном «масштабе времени», независимо от их «количества», «вероятности» или «стохастичности», уровня^ рассмотрения или «иерархического положения». Соответственно любой реальный процесс, взятый во всех деталях, бесконечно глубок.

В области теплопередачи для конвективного теплообмена накоплен богатый теоретический материал, разработаны различные методики расчёта процесса теплопередачи, то с внедрением электротехнологий таких, как инфракрасное излучение, нагрев обрабатываемого изделия энергией ВЧ или СВЧ электромагнитного поля, необходимо совершенствовать методику теплотехнических расчётов.

Степень теоретической разработанности темы. Разработкой методов расчета и особенно созданием программ и пакетов прикладных программ для решения научно-технических задач занято большое число исследователей. Ввиду разнообразия задач при создании программ даже по одному алгоритму или численному методу неизбежен параллелизм в работе, когда различные исследователи при создании программ вынуждены проделывать, всю работу от начала до конца.

Данные обстоятельства приводят к необходимости перехода на другой путь создания программ^ а именно на создание пакетов программ, ориентированных на решение целых классов задач. Сейчас созданы и успешно развиваются пакеты программ для решения отдельных классов^ задач математической^ физики [15].

Например, в настоящее время широкое распространение получили пакеты вычислительной гидродинамики, теплои массообмена, прочности и электродинамики для проведения инженерных расчетов. Среди них можно упомянуть такие, как CFX, FLUENT, STAR-CD, ANSYS, ABAQUS, FlowVision, Pro/Mechanica и др.

Несомненно, наука продвинулась далеко вперёд. За-последние полвека, когда первые ракеты проектировали на бумаге и расчёты-выполнялись при помощи арифмометра и логарифмической линейки, были> не только созданы и усовершенствованы компьютеры, но и развито программное обеспечение для инженерных расчётов, позволяющее решать большой спектр задач любой сложности.

Но какие бы талантливые специалисты не принимали участие в разработке программы для инженерных расчётов, она будет иметь свои недостатки. Поскольку, как уже было сказано, практически не представляется возможным разработка универсальных описаний, моделей и программ.

Так, например, большинство существующих на сегодняшний день пакетов программ решают задачи численным методом. Это трудоёмкое построение формы исследуемого объекта. Необходимо конструировать форму тела, вводить узловые точки и т. д. Данная процедура отнимает много времени и усложняет на первый взгляд простую задачу. Кроме того, численные методы, в том числе и метод конечных элементов, который лежит в основе алгоритма большинства пакетов вычислительной" гидродинамики, теплообмена, прочности и электродинамики, позволяет учесть в процессах теплои массопереноса только внешнее воздействие на исследуемый объект.

Для решения задач нагрева или охлаждения материала, данные пакеты программ могут использовать только конвективный нагрев или охлаждение. Для решения задач нагрева с внутренним источником тепла приходится прибегать к некоторым искусственным приёмам:' разбивать* исходную задачу на несколько простых задач и сводить их к конвективному нагреву.

Кроме того, коммерческие пакеты программ, решающие численными методами, не способны, проводить расчёты для изменения влагосодержания или концентрации некоторого вещества в материале.

Таким образом, метод конечных элементов, используемый в большинстве пакетов программ, не позволяет решать задачи объёмного нагрева с внутренним источником тепла и задачи массопереноса.

Анализ интернет-форумов показал, что задачи с инфракрасным излучением не являются тривиальными для решения в, данных программах. Приходится использовать искусственные приёмы, чтобы учесть влияние теплового излучения от стенок установки.

Заметим, что массовое распространение мощных и дорогих современных научно-коммерческих программных продуктов может приводить (при отрыве от собственного серьезного эксперимента) к эйфории всемогущества формального математического моделирования, особенно опасной в силу одного из «принципов Питера», на который нельзя закрывать глаза, и который сформулирован самими основоположниками численных методов и компьютерного программирования: «ЭВМ многократно увеличивает некомпетентность вычислителя» [5].

Дополнительно усугубляет ситуацию, как справедливо отмечают В. В. Дильман и А. Д. Полянин, то, что публикуемые численные компьютерные результаты такого рода во многом остаются лишь на совести авторов, так как рецензентам или пользователям проверить их практически невозможно. В то же время профессиональное и взаимодополняющее физическое и математическое моделирование («сопряженное-моделирование» — по названию С.Г. Дьяконова) — это единственный путь содержательного изучения явлений и процессов. При усложнении исследуемых задач до уровня, недоступного прямому физическому эксперименту, должны использоваться косвенные данные и-математические методы. Если задачи оказываются недоступными точным или приближенным аналитическим методам, то естественным основным аппаратом исследования таких задач становятся численные методы. При этом моделирование как физическое, так и математическое, является само по себе основным инструментом познания как такового.

Таким образом, подводя итог вышесказанному, ещё раз напомним, что перспективными направлениями интенсификации процессов теплои массопереноса являются электротехнологии. В связи* с этим, при разработке процессов с использованием электрических и ультразвуковых полей, появляется потребность в выполнении теплотехнических расчётов процессов с использованием соответствующих устройств. При этом, в расчётах для сельскогохозяйства и пищевой промышленности в качестве нагреваемых (охлаждаемых) объектов чаще всего используются' тела классических форм: пластина, цилиндр, шар или тела, образованные их пересечением. Соответственно, использование современных программ для простейших инженерных расчётов является проблематичным, поскольку они дороги в цене, невозможно решать задачи нагрева с СВЧ-излучением или другими внутренними источниками тепла, а также задачи связанные с массопереносом. Очень часто на практике используют комбинированный энергоподвод, который сложно учесть в математических моделях, решая численными методами. Следовательно, возникает необходимость в разработке методики расчётов процессов теплопередачи и массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.

Актуальность отмеченного с недостаточной теоретической и практической изученностью предопределила выбор темы диссертационного исследования.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Цель исследований. Создание инженерной методики расчёта процессов теплои массопереноса в* установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, включающей разработку математических моделей, алгоритмов и программ расчета: кинетических характеристик, процессов теплопередачи и массопереноса в поле ультразвука (УЗИ) под действием конвективного теплообмена, инфракрасного (ИК) и СВЧ излучения.

Область исследования. Обоснование, исследование и разработка средств и методов повышения надежности и экономичности работы электрооборудования в сельскохозяйственном производстве.

Объект исследований. Процессы теплопередачи и массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.

Предмет исследований. Корреляционные зависимости, характеризующие влияние электротехнологий таких, как ИК-излучение, СВЧ-излучение и УЗИ, на процессы теплои массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.

Теоретической и методической основой диссертационного исследования послужили труды ведущих ученых и специалистов отрасли по исследуемой проблеме. В процессе решения отдельных задач применялись аналитический, численный и графический методы.

Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, интернет сайты.

Научная новизна. В результате работы:

• разработаны математические модели частных электротехнологических процессов непрерывной сублимационной сушки измельченного или гранулированного продукта с комбинированным энергоподводом, описывающие: испарительное самозамораживание термо лабильных продуктов пищевого назначения и ИК сушкусублимационную сушку замороженного продукта в полях СВЧ и УЗИ;

• предложена формула внутреннего источника тепла для нестационарных задач нагрева материала при сублимационной сушке измельченного или гранулированного продукта под действием СВЧ излучения;

• установлена корреляционная зависимость коэффициента диффузии в технологических процессах сублимационной сушки термолабильных продуктов пищевого назначения на установках с комбинированным энергоподводом.

Практическая ценность: разработаны алгоритм и программный комплекс расчётов теплои массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, защищённый свидетельством государственной регистрации ЭВМ, которые повышают эффективность проектирования параметров электротехнологических установок сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом. Данные расчётов программы могут быть использованы при разработке оптимальных режимов управления процессами сушки и выборе способов сушки, что ведёт за собой повышение эффективности использования и экономичности работы электрооборудования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели нагрева под действием ИК и СВЧ излучениймассопереноса в поле ультразвука пригодны для исследования электротехнологических процессов сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.

2. Инженерные методики расчета нестационарного процесса нагрева с внутреннимисточником тепла и коэффициента диффузии, в процессе массопереноса в поле УЗИ в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом содержат новые сведения методологических основ создания надёжного и энергоэффективного оборудования.

3. Разработанные алгоритм и программный комплекс расчёта электротехнологических процессов в установках сублимационной сушки позволяют сократить время решения задачи не менее чем на 50%.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сублимационной сушки конвективно-вакуумно-звуко-диэлектрическим способом криогранулянта сока чёрной смородины и конвективно-звуко-диэлектрическим способом рябины обыкновенной позволяют определять оптимальные мощностные параметры электрооборудования установки.

Методами исследования являются методы нестационарной теплопроводности, математические модели на основе компьютерных моделей, методы аналогий, теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерная программа Maple, язык программирования Visual Basic и приложения Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов математического моделирования экспериментами, оценкой погрешностей исследований.

Личный вклад автора. Модели, алгоритмы и инженерные методики, программный комплекс, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.

Совместно с научным руководителем к.т.н., профессором ЛитвинюкН.Ю. и аспирантами кафедры ТОППП разработана установка и проведены экспериментальные исследования.

Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии руководителя диссертационной работы и научного консультанта к.т.н., доцента Воробьёвой Л.С.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях: «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450-летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008; «Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса», Ижевск, 2009; «Зоотехническая наука на Удмуртской земле. Состояние и перспективы», Ижевск, 2009; «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях», Ижевск, 2011.

Публикации. Основные положения работы и результаты исследований опубликованы в 9 печатных изданиях, из них четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, одна статья находится в печати (журнал Хранение и переработка сельхозсырья), получено свидетельство программы расчёта процессов теплои массопереноса в установках сублимационной сушки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНД АЦИИ.

1. Метод преобразований Лапласа позволяет решать задачи с внутренним источником тепла для тел классической формы. Эта особенность является одним из определяющих факторов выбора метода для математического моделирования электротехнологических процессов в установках сублимационной сушки.

2. Математические модели процессов теплопередачи и массопереноса, обоснованные в диссертации, позволяют выполнить расчет режимов технологических процессов в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом по заданным качественным показателям готового продукта и определение параметров оборудования для достижения заданной производительности. А также содержат новые сведения методологических основ создания надёжного и энергоэффективного оборудования для сублимационной сушки.

3. Предложены алгоритмы и аналитические зависимости расчета характеристик теплои массообмена электротехнологических процессов в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом. Так, например, для нестационарных задач теплопередачи предложена формула, позволяющая учитывать способ нагрева посредством СВЧ излучения. В задачах массопереноса предложены формулы вычисления коэффициента диффузии для процессов сублимационной сушки в установках с комбинированным энергоподводом, которая позволяет обходиться без проведения дорогостоящих экспериментовпредложен способ учёта влияния источника механического перемещения влаги.

4. Разработан программный комплекс расчета процессов теплои массообмена в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом (свидетельство № 2 011 614 794 о государственной регистрации программы для ЭВМ), в основе которого лежит аналитическое решение уравнений теплопередачи и массопереноса, позволяющие сохранить связь между исходными данными и конечным результатом, сократить время решения задачи не менее чем на 50%.

5. В качестве проверки достоверности результатов расчета, выполненных с использованием разработанного программного комплекса, проведено сравнение результатов теоретического расчета с экспериментальными данными. Сравнение результатов показало их надёжность 95%, что подтверждает высокую эффективность разработанных методов математического моделирования и программного обеспечения.

6. Данные расчётов программы могут быть использованы при проектировании параметров установок сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, разработке оптимальных режимов управления процессами сушки и в оценке эффективности использования звуко-конвективного, звуко-диэлектрического, конвективно-диэлектрического и других способов сублимационной сушки.

7. Расчетный годовой экономический эффект программного комплекса составил 407 тыс. руб. при сроке окупаемости капительных затрат менее, чем за полгода.

103 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Теоретическая часть настоящей работы является основополагающей, так как разработанные алгоритм и программный комплекс основываются на исследовании методик решения задач теплои массопереноса. Но в свою очередь, они представляют большой интерес для практического применения, поскольку позволяют с надёжностью 95% рассчитывать изменение температуры или влагосодержания в процессе сублимационной сушки. Полученные результаты от расчётов могут быть использованы при, проектировании установок сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, обходясь без дорогостоящих экспериментов или существенно сократить затраты на их проведение, и выборе технологических режимов процесса сушки.

Немаловажное значение в работе отводитсяэкспериментам. Полученные формулы для расчета влияния ИК и СВЧ излучений" на нагрев материала проверены на математических моделях и подтверждены экспериментально.

Для процессов массопереноса в установках сублимационной сушки одним из значимых результатов работы является корреляционная формула вычисления усреднённого коэффициента диффузии (формула), полученная нами полуэмпирическим путём. Она позволяет обойтись без дорогостоящих экспериментальных исследований по определению коэффициента диффузии. За её основу взято корреляционное соотношение Гайдука — Лоди для коэффициентов' диффузии неэлектролитов при бесконечном разбавлении в воде [144]. Но, поскольку в процессе сублимационной сушки в поле УЗИ процесс влагопереноса ускоряется, был введён эмпирический коэффициент.

Проведены расчёты для различных продуктов при разных способах сублимационной сушки. Полученные результаты были сопоставлены с экспериментальными данными. В результате проделанных вычислений определён интервал изменения эмпирического коэффициента.